Celem artykułu jest przedstawienie metodyki i zasadności
określania oraz wyznaczania strefy zagrożenia wybuchem
za pomocą eksplozymetrów. W związku z tym omówione
tekst
mł. kpt. mgr inż.
zostaną tylko te sytuacje, w których do wybuchu
Iwona Maj,
JRG II Katowice-Piotrowice
może dojść na skutek występowania substancji
tworzÄ…cej mieszaniny wybuchowe z powietrzem.
Mierniki
eksplozymetryczne
Budowa, zasada działania i użytkowanie
2011
8 1
fot. Shutterstock
fot. ATEST-GAZ
Mierniki eksplozymetryczne. Budowa, zasada dzia ania i u ytkowanie
ednym z podstawowych zadań Z kolei urządzeniem przeznaczonym nia gazów palnych (wybuchowych)
strażaków przybyłych na miej- do stwierdzania obecności mie- lub par cieczy palnych (wybucho-
sce działań ratowniczych jest szaniny potencjalnie wybuchowej wych) w mieszaninie z powietrzem.
Jstwierdzenie, czy w danym na miejscu działań jest zazwyczaj Zatem najważniejszym elementem
przypadku występuje ryzyko eksplozymetr skalibrowany na me- składowym urządzenia jest komora
wytworzenia się strefy zagrożenia tan. Pojawiają się zatem pytania, czy pomiarowa (sensor). W sensorze kata-
wybuchem i  w konsekwencji  wy- za pomocą takiego urządzenia moż- litycznym znajdują się dwie elektrody
stąpienia samego wybuchu. W tym na prawidłowo rozpoznać istnieją- pomiarowe  jedna aktywna, czyli
celu niezbędne jest ustalenie rodza- ce zagrożenie oraz jak prawidłowo wykrywcza, i druga pasywna  kom-
ju czynnika niebezpiecznego (gazu, korzystać z eksplozymetru. pensatorowa. Elektrody te połączone
par cieczy lub pyłu) i określenie, czy Aby udzielić odpowiedzi, należy są w układzie mostkowym.
materiał ten w mieszaninie z powie- poznać ogólną budowę, a co za tym Elektroda aktywna (pelistor ak-
trzem tworzy układy wybuchowe. idzie zasadę działania miernika eks- tywny) to cienki drucik platynowy
Należy także pamiętać, że w spe- plozymetrycznego. W urządzeniach zamknięty w kapsułce wykonanej
cyficznych sytuacjach do wybu- mierzących stężenie gazów lub par z tlenku glinu (Al2O3), której po-
chu może dojść nawet wtedy, gdy cieczy palnych stosuje się dwa pod- wierzchnia pokryta jest katalizato-
w zdarzeniu nie biorą udziału żadne stawowe typy sensorów  katalitycz- rem, czyli substancją przyspieszającą
substancje niebezpieczne. Jako przy- ny i półprzewodnikowy. proces utleniania gazów palnych
kład takiego zjawiska można podać Każdy miernik eksplozymetryczny (potocznie nazywany spalaniem).
rozerwanie kotła z wodą podgrze- przewidziany jest do mierzenia stęże- Powłoka drugiej elektrody (pelisto-
wanego przez intensywny pożar.
By sprostać wymienionym wy-
DGW GGW
maganiom, w pierwszej kolejności
w mieszaninie w mieszaninie Grupa
Gaz NR ONZ (UN)
z powietrzem z powietrzem wybuchowości
należy określić, z jakimi najczęściej
[%vol.] [%vol.]
występującymi gazami lub parami
1971 (sprężony)
cieczy można się spotkać podczas
metan 1972 (skroplony 5 15 I, IIA
działań ratowniczych. Do powszech-
schłodzony)
nie występujących gazów należą:
propan
gaz ziemny (czyli mieszanina ponad
acetylen (etin) 1001 1,5 82 IIC
90% metanu z etanem, propanem
amoniak 1005 15 28 IIA
i ewentualnie butanem), LPG (mie-
1049 (sprężony)
szanina propanu i butanu), acetylen, wodór 1966 (ciekły silnie 4 74,5 IIC
schłodzony)
amoniak oraz ostatnio coraz bardziej
Tab. 1. Charakterystyka wybuchowa wybranych gazów
znany biogaz (mieszanina metanu
ditlenku węgla i innych gazów, takich
jak siarkowodór). Charakterystykę DGW GGW
w mieszaninie w mieszaninie Grupa
wybuchową wymienionych gazów
Ciecz NR ONZ (UN)
z powietrzem z powietrzem wybuchowości
zebrano w tab. 1.
[%vol.] [%vol.]
Popularne ciecze, których pary
aceton 1090 2,1 13 IIA
mogÄ… w mieszaninie z powietrzem
metanol 1230 5,5 44 IIA
tworzyć mieszaniny wybuchowe,
2029 hydrazyna
to aceton oraz metanol. Charaktery- bezwodna
2030 wodzian
stykÄ™ tych cieczy zebrano w tab. 2.
hydrazyny lub
roztwory wodne
Mierniki eksplozymetryczne
hydrazyna o stężeniu 4,7 100 IIC
37-64%
Jak wynika z powyższych rozważań,
3293 roztwory
podczas pracy strażacy spotykają
wodne
się z różnorodnymi substancjami
o stężeniu
poniżej 37%
zdolnymi do wytworzenia miesza-
Tab. 2. Charakterystyka wybuchowa wybranych cieczy
nin wybuchowych z powietrzem.
2011
1 9
Mierniki eksplozymetryczne. Budowa, zasada dzia ania i u ytkowanie
warstwy półprzewodnika adsorbują
siÄ™ jony tlenu z powietrza otaczajÄ…-
cego sensor. W momencie urucho-
mienia miernika w układzie płynie
prąd o ściśle określonych parame-
trach. Jeśli w powietrzu, które dostaje
siÄ™ do czujnika podczas jego pracy,
znajdują się cząsteczki gazów reduk-
cyjnych (czyli utleniajÄ…cych siÄ™  np.
tlenek węgla, wodór, metan, propan
czy amoniak), to czÄ…steczki te reagu-
jÄ… z jonami tlenu znajdujÄ…cymi siÄ™
na powierzchni półprzewodnika. Po-
woduje to spadek rezystancji (spadek
oporu przepływu prądu) warstwy
sensorowej i generowanie sygnału,
który po wzmocnieniu i przetworze-
Rozszczelnienie zbiornika z LPG
niu jest wynikiem pomiaru.
ra pasywnego) układu pokryta jest rezystancji (oporności elektrycznej) Gdy do pracującego układu wpro-
substancją niereagującą z gazami jest wprost proporcjonalna. wadzone zostaną gazy będące utle-
palnymi, w zwiÄ…zku z czym pod- Na podstawie procesu pomiaro- niaczami dostarczajÄ…cymi dodatko-
czas pomiaru elektroda ta pozostaje wego wnioskuje się, że w przypadku wą porcję tlenu do układu (np. ozon,
w stanie podstawowym. Jest ona gdy do komory pomiarowej dostanie tlenki azotu), to ilość jonów tlenu
czynnikiem niwelującym wpływy się nie jeden gaz palny, ale ich mie- adsorbowanych na powierzchni
warunków zewnętrznych, w jakich szanina, to cała mieszanina utleni się półprzewodnika zwiększa się. Tym
prowadzony jest pomiar (wilgotność, na powierzchni elektrody, generując samym wzrasta opór przepływu
ciśnienie itp.). sygnał, którego wartość nie będzie prądu w układzie, co może mieć
Włączenie urządzenia powoduje proporcjonalna do stężenia gazu, negatywny wpływ na jakość uzyski-
przepływ prądu elektrycznego przez na który skalibrowane jest urzą- wanych wyników pomiaru.
opisany układ. Parametry tego prze- dzenie, ale będzie wartością sumy Schematycznie pracę warstwy
pływu są stałe i ściśle określone. Po- stężeń gazów palnych znajdujących powierzchniowej półprzewodnika
nadto powoduje on rozgrzanie siÄ™ siÄ™ w miejscu pomiaru. Miernik kata- przedstawia rys. 2.
obu elektrod do ściśle określonego lityczny nie jest bowiem miernikiem W praktyce efektem zademon-
poziomu. W momencie pojawienia selektywnym. strowanych zjawisk jest możliwość
się gazu palnego w komorze pomia- Drugim typem czujników stoso- stwierdzenia obecności propanu
rowej natychmiast rozpoczyna siÄ™ wanych w eksplozymetrach sÄ… sen- bÄ…dz
innego gazu palnego (wy-
proces utleniania tego gazu na po- sory półprzewodnikowe. Czujniki buchowego) za pomocą miernika
wierzchni elektrody aktywnej. Pro- te zbudowane sÄ… z warstwy aktywnej skalibrowanego na metan. Niemniej
ces ten powoduje dalsze rozgrzanie wykonanej z tlenku półprzewodni- należy pamiętać, że w takim przypad-
elektrody, a wytwarzające się ciepło kowego, zazwyczaj wzbogaconej ku stężenie określone w wyniku po-
skutkuje zmianą oporności elek- katalizatorem, w której umieszczone miaru nie jest tożsame ze stężeniem
trody aktywnej, co z kolei wpływa są elektrody wykonane  podobnie faktycznym. Dzieje się tak, ponieważ
na zmianę parametrów prądu pły- jak w czujnikach katalitycznych  moc sygnału powstającego na sku-
nącego w układzie. Zmiana ta jest z platyny. Całość z kolei umieszczo- tek oddziaływania gazu palnego
sygnałem, który po wzmocnieniu na jest na podłożu wyposażonym z warstwą aktywną zarówno sensora
i analizie za pomocą mikrokompu- w grzejnik oporowy i termometr. katalitycznego, jak i półprzewod-
tera daje wynik pomiaru. Zależność Ogólną budowę sensora półprze- nikowego jest różna w przypadku
pomiędzy stężeniem gazu palnego wodnikowego przedstawia rys. 1. działania jednego gazu oraz kilku
a stopniem rozgrzania elektrody Jeżeli sensor znajduje się w stanie gazów lub gazów o innej budowie
aktywnej i tym samym zmianÄ… jej podstawowym, to na powierzchni czÄ…steczki.
2011
10 1
fot. I. Maj
Mierniki eksplozymetryczne. Budowa, zasada dzia ania i u ytkowanie
Prowadząc pomiary za pomocą pomiarów na miejscu działań są wy- najniżej, czyli w rowach, studzienkach
eksplozymetrów, trzeba także pa- sokie stężenia badanego gazu. Praca kanalizacyjnych itp. Stąd podczas
miętać, że prawidłowa praca ich urządzenia w warunkach, gdy stęże- prowadzenia pomiarów za pomocą
sensorów jest zależna od stężenia nie czynnika badanego przekracza eksplozymetrów trzeba wykonać
tlenu w miejscu prowadzenia po- zakres pomiarowy urządzenia, nie również pomiary przy powierzchni
miarów. Znaczny spadek stężenia tylko świadczy o tym, że w miejscu gruntu czy podłogi i we wszystkich
tlenu powoduje zakłócenia w pra- pomiaru sytuacja jest bardzo nie- zagłębieniach na terenie działań. Po-
cy miernika. Ponadto w przypadku bezpieczna, ale też może prowadzić wszechnie występujące gazy lżejsze
mierników z sensorem katalitycznym do trwałego uszkodzenia sensora. od powietrza, a zatem wykazujące
silne oddziaływanie zakłócające wy- tendencję do wznoszenia się, to: wo-
kazują: siarkowodór, związki ołowiu, Podsumowanie dór, metan, amoniak i acetylen.
związki siarki, związki halogenowe, Należy stwierdzić, że podczas wy- Trudno w tym miejscu przedstawić
a więc węglowodory zawierające znaczania strefy zagrożenia wybu- uniwersalne wytyczne co do wyzna-
pochodne fluoru, chloru, bromu chem na miejscu działań ważne czania strefy zagrożenia wybuchem.
czy jodu. jest nie tylko określenie, jaki czynnik Jednak można z całą mocą stwierdzić,
Natomiast w miernikach z sen- chemiczny stwarza zagrożenie, lecz że w przypadku pracy z substancjami
sorem półprzewodnikowym duży również świadomość, że wskazanie zdolnymi do tworzenia mieszanin
wpływ zakłócający wywierają para miernika nie zawsze jest dokładnym wybuchowych należy zawsze bardzo
wodna, a także opary alkoholi, odzwierciedleniem stanu faktyczne- starannie monitorować strefę pracy
spaliny, wodór i obecność węglo- go. Warto przypomnieć, iż większość ratowników, a przy najmniejszych
wodorów. gazów jest cięższa od powietrza wątpliwościach co do bezpieczeń-
Osobnym problemem pojawia- i ma tendencję do ścielenia się i za- stwa trzeba traktować ją jako zagro-
jącym się podczas prowadzenia legania w miejscach położonych jak żoną wybuchem.
Na zakończenie warto udzielić
odpowiedzi na pytanie postawione
na początku artykułu. Choć dostęp-
Sensor
Warstwa półprzewodnika
tlenek metalu, np. ZnO
półprze- ne obecnie na rynku eksplozyme-
wodnikowy
try sÄ… coraz bardziej udoskonalane,
Warstwa izolujÄ…ca
Elektrody
to nadal nie sÄ… to urzÄ…dzenia tak spe-
pomiarowe
cyficzne jak np. rurki wskaz
nikowe
Grzałka
Warstwa tlenku metalu
Termometr
i przy ich użytkowaniu nie wolno
Elektrody pomiarowe
Membrana
o tym zapominać. Z drugiej strony
Membrana
ta sama cecha sprawia, że za pomo-
~ 1-2 µm
cÄ… eksplozymetru skalibrowanego
Silikonowa Si ~ 1-1,5 mm Si
~ 400 µm
warstwa na metan możliwe jest określenie
nośna
zagrożenia stwarzanego przez inne
Widok z góry Widok z boku
gazy palne. Nie jest to co prawda
wartość literalna, niemniej na tyle
Rys. 1. Budowa sensora półprzewodnikowego
istotna, że może być podstawą
przy określaniu warunków pracy
ratowników.
Warto dodać, iż prawidłowość
wskazań eksplozymetrów, tak ważna
podczas akcji, uzależniona jest nie
tylko od właściwego serwisowania
1. Inicjacja 2. Stan stabilny 3. Atak gazu 4. Stan stabilny 5. Regeneracja
w czystym redukcyjnego w atmosferze
i konserwowania urzÄ…dzenia, ale
powietrzu gazu redukcyj-
nego
także od świadomości ratownika
Neutralne atomy tlenu Jony tlenu O Wolne elektrony Jony/cząsteczki obsługującego miernik, to znaczy
gazu redukcyjnego
od jego wiedzy co do zasady dzia-
Rys. 2. Praca warstwy powierzchniowej półprzewodnika łania urządzenia.

2011
12 1